JP2011136344A - ガスタービン部材の補修方法及びガスタービン部材 - Google Patents

Abstract

【課題】要求される許容欠陥が小さい場合や、母材並みの強度を持つ溶接材料を用いる場合であっても、高温割れが許容欠陥以下となるような肉盛溶接による補修方法を提供することを目的とする。
【解決手段】母材１の損傷部分を除去し、損傷部分が除去された被除去部に中間層４を形成した後、本肉盛溶接してガスタービン部材を補修する。本肉盛溶接前に、中間層４を形成する工程を設けることで、本肉盛溶接中の母材１への入熱を低減させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタービン部材の補修方法及びガスタービン部材に関し、特にガスタービン動翼の翼頂部やプラットフォームの補修方法及び補修された翼に関する。

ガスタービン動翼の翼頂部やプラットフォームに生じた亀裂（図４及び図５参照）は、従来、亀裂をグラインダ、放電加工で除去した後、拡散ろう付等で施工して補修している。しかし、このような補修方法では、低サイクル疲労強度が低いため、溶融溶接による補修が望まれている。

溶融溶接によって補修する場合、ガスタービンの動翼材料に使用されるＮｉ基超合金は、高温強度が高い必要がある。高温強度を維持するために、γ’相と呼ばれるＡｌ、Ｔｉ含有相をＮｉマトリックスの中に析出させている。このような材料では、ＡｌやＴｉの量が多くなると、Ｎｉ基超合金の強度は上がるが、溶接性は低下する。そのため、肉盛溶接時に高温割れが生じやすいという課題がある。高温割れは、溶接金属及び母材の溶接熱影響部（ＨＡＺ）に発生する。熱影響部とは、溶接・切断などの熱で組織、や（冶）金的性質、機械的性質などが変化を生じた、溶融していない母材の部分である（ＪＩＳ Ｚ ３００１参照）。

この高温割れを防止するため、一般に、高温予熱、自動溶接による入熱・ビード形状のバラツキ低減等の対策が講じられている（特許文献１参照）。

特開２００１−２６９７８４号公報（請求項１）

一般的な高温予熱を併用したＴＩＧ溶接肉盛方法では、運転時の応力が高く、要求される許容欠陥が小さい場合（例えば、欠陥許容値：１．８４ｍｍ）や、母材並みの強度を持つ溶接材料を用いる場合では、許容欠陥を超える高温割れ９が発生しやすい（図６参照）。
また、特許文献１に開示されているレーザ粉体肉盛溶接でも、高温割れが許容欠陥を超える場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、要求される許容欠陥が小さい場合や、母材並みの強度を持つ溶接材料を用いる場合であっても、高温割れが許容欠陥以下となるような肉盛溶接による補修方法を提供することを目的と-する。

上記課題を解決するために、本発明は、母材の損傷部分を除去し、前記損傷部分が除去された被除去部に中間層を形成した後、本肉盛溶接するガスタービン部材の補修方法を提供する。

本発明によれば、本肉盛溶接前に、中間層を形成する工程を設けることで、本肉盛溶接中の母材への入熱を低減させることができる。そうすることで、熱影響部が縮小されるため、高温割れの割れ長さを短くすることができるようになる。

上記発明において、前記本肉盛溶接よりも低入熱となる方法によって、前記中間層を形成することが好ましい。
中間層を低入熱な方法で形成することによって、母材への入熱量を抑制できる。そうすることで、高温割れの割れ長さを短くすることができるようになる。中間層を低入熱な方法で形成することによって、中間層に母材と同程度の高温強度を有する材料を用いた場合であっても、高温割れの割れ長さを縮小させることができる。

上記発明において、前記母材より高温強度が低い前記中間層を形成することが好ましい。このような中間層は、延性を有しているため割れ難く、高温割れが発生した場合に、割れ止め（クラック アレスター）として作用する。

本発明によれば、母材の損傷部分が除去された被除去部と、前記被除去部に肉盛溶接された肉盛溶接層とを備え、前記被除去部と肉盛溶接層との間に、中間層が設けられるガスタービン部材を提供する。前記中間層の高温強度は、前記母材の高温強度と同等あるいはそれより低いことが好ましい。
このようなガスタービン部材は、本肉盛溶接に起因する高温割れが生じた場合であっても割れ長さを短くすることができる。

本発明に係るガスタービン部材の補修方法によれば、損傷部分を除去加工した後に、母材の上に中間層を形成し、その後、本肉盛溶接層を形成することで、母材への入熱量を低減させることができる。そうすることによって高温割れの割れ長さを小さくすることができる。すなわち、補修後に、許容欠陥値を超える高温割れがなく、品質の高いガスタービン部材とすることができる。

高強度材料群と低強度材料群との境界線を示すグラフである。 第１実施形態に係る補修方法を説明する図である。 補修部分を上方から見たときの断面イメージ図である。 ガスタービンの部分概略図である。 図４のＡ部分（ガスタービン翼頂部）の拡大図である。 肉盛溶接によって発生した高温割れのイメージ図である。

まず、ガスタービン部材の材料及びその補修に用いられる溶接材料について説明する。
ガスタービン部材（母材）及び母材の損傷部分の補修に用いられる溶接材料として、Ｎｉ基耐熱超合金が用いられる。例えば、７１３Ｃ、ＩＮ７３８ＬＣ、ＩＮ６２５、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８、材料Ａ（組成／Ｃｒ：１２．０〜１４．３質量％、Ｃｏ：８．５〜１１．０質量％、Ｍｏ：１．０〜３．５質量％、Ｗ：３．５〜６．２質量％、Ｔａ：３．０〜５．５質量％、Ａｌ：３．５〜４．５質量％、Ｔｉ：２．０〜３．２質量％、Ｃ：０．０４〜０．１２質量％、Ｂ：０．００５〜０．０５質量％、Ｚｒ：０．００１〜５ｐｐｍ、残部：Ｎｉおよび不可避不純物）、材料Ｂ（組成／Ｃ：０．１３質量％を超えて０．３０質量％以下、Ｃｒ：１５．７質量％以上１６．３質量％以下、Ｃｏ：８．００質量％以上９．００質量％以下、Ｔａ：１．５０質量％以上２．００質量％以下、ＭｏとＷの少なくともいずれか：１．５質量％以上５．０質量％以下、Ｔｉ：１．７０質量％以上３．２０質量％未満、Ａｌ：１．７０質量％以上３．２０質量％未満、残部：Ｎｉ）、材料Ｃ（組成／Ｃ：０．０５〜０．２５質量％、Ｃｒ：１０〜２０質量％、Ｃｏ：１５〜２５質量％、Ｗ及びＭｏ：Ｗ＋１／２Ｍｏの値が０．５〜１０質量％である量の３．５質量％までのＭｏおよび０．５〜１０質量％までのＷの一種又は二種、Ｔｉ：１．０〜５．０質量％、Ａｌ：１．０〜４．０質量％、Ｔａ：０．５〜４．５質量％、Ｎｂ：０．２〜３．０質量％、Ｚｒ：０．００５〜０．１０質量％、Ｂ：０．００１〜０．０１質量％、残部：Ｎｉおよび不可避的不純物元素からなり、（Ａｌ＋Ｔｉ）量および（Ｗ＋１／２Ｍｏ）量が、それぞれＡｌ＋Ｔｉ：約５．５質量％、Ｗ＋１／２Ｍｏ：約６．０質量％）が挙げられる。

上記材料の高温強度は以下のような関係にある。
７１３Ｃ≒ＩＮ７３８ＬＣ＞材料Ａ＞材料Ｂ＞材料Ｃ＞Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８＞ＩＮ６２５

また、上記材料は、いずれもＴｉ及びＡｌが含有されており、それらの含有量によって、強度は高いが高温割れを生じやすく溶接が難しい材料（高強度材料）、強度は低いが高温割れが生じ難く溶接しやすい材料（低強度材料）の２つの材料群に分類することができる。図１に高強度材料群と低強度材料群との境界線を示す。Ｔｉ及びＡｌの含有量が、境界線（点線）と原点を含むｘ軸及びｙ軸で囲まれた領域に存在するものを低強度材料とする。Ｔｉ及びＡｌの含有量が、境界線に対して低強度材料群の領域と反対側の領域に存在するものを高強度材料とする。
高強度材料群には、７１３Ｃ、ＩＮ７３８ＬＣ、材料Ａ、材料Ｂ及び材料Ｃが含まれる。低強度材料群には、Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８及びＩＮ６２５が含まれる。

次に、肉盛溶接方法について説明する。ガスタービン部材の損傷部分を補修するための肉盛溶接方法は、母材への入熱の高い順に、低電流ＴＩＧ肉盛溶接、マイクロプラズマ粉体肉盛溶接、レーザ粉体肉盛溶接、溶射及び拡散ろう付などが挙げられる。低電流ＴＩＧ肉盛溶接は、アークで母材を加熱・溶融しながら肉盛するため、非常に母材への入熱が高い。一方、溶射は、燃焼ガスやプラズマ等で溶接材料（粉末）を加熱溶融し、そのガスの勢いで母材表面に吹き付けて、数百μｍ程度の皮膜を形成する技術であるため、母材をほとんど加熱しなくてすむ。具体的な溶射方法としては、アーク溶射、減圧プラズマ溶射、高速フレーム（ＨＶＯＦ）溶射、コールドスプレー溶射等が適用可能である。特に、コールドスプレー溶射は、母材に対しての入熱が少なく、低コストで行える方法である。

以下に、本発明に係るガスタービン部材の補修方法の一実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
本実施形態に係るガスタービン部材の補修方法を、図２及び図３を参照して説明する。本実施形態では、母材１の損傷部分２を除去し、被除去部３に中間層４を形成した後、本肉盛溶接を施す。

まず、母材１の損傷部分２を、グラインダなどにより所定の形状に除去（ブレンディング）する。本実施形態では、被除去部３の底部が開先底形状（２Ｒ）となるように除去する。

次に、損傷部分２を除去した被除去部３の開先底部に、本肉盛溶接する方法よりも低入熱な方法によって中間層４を形成させる。中間層４を形成させる方法は、できるだけ低入熱な方法を選択することが好ましい。中間層４を形成させる条件は、選択した方法、被除去部の位置（拘束状態）、大きさ及び形状、母材１の材質等を考慮して適宜設定する。例えば、中間層４をＨＶＯＦ溶射によって形成させる場合、溶射粉末：ＩＮ６２５，溶射距離：４００ｎｍ、移動速度５００ｍｍ／ｍｉｎ、溶射パス：５〜１５パスの条件とすることができる。

中間層４を溶射によって形成させた場合、多孔質な構造となり、剥離し易くなるなど、強度が弱くなる場合がある。そのため、溶射後になめつけ溶接（レーザ照射、ＴＩＧアーク等）を施すことが好ましい。なめつけ溶接により中間層４を溶融させることで、中間層４の高温強度を確保することができる。一方、母材１への入熱量が増えると、高温割れが生じやすくなる。従って、なめつけ溶接は、中間層４を溶融した上で、母材への入熱量が最小となるような条件で行うことが望ましい。そうすることにより、肉盛溶接補修部６の信頼性を向上させることができる。

中間層材料は、母材１と同程度の高温強度を有することが好ましい。「同程度」とは、母材１と同等の高温強度を有する、もしくは、母材１と同じ材料群に属することを意味する。中間層４の膜厚は、２００μｍ〜２ｍｍとし、熱影響部の厚さ（５００μｍ〜２ｍｍ）程度とすることが好ましい。例えば、レーザ粉体肉盛溶接やＴＩＧ肉盛溶接にて中間層４を形成させる場合、熱影響部の厚さは１〜２ｍｍ程度となるため、中間層４の膜厚は、０．５〜２ｍｍ程度とすれば良い。また、肉盛溶接補修部６の品質の安定性向上のため、中間層４の厚さはできるだけ均等とすることが望ましい。

次に、中間層４が形成された被除去部３に、本肉盛溶接を施す。本肉盛溶接は、ＴＩＧ肉盛溶接、レーザ粉体肉盛溶接等で行うことができるが、より低入熱なレーザ粉体肉盛溶接が好ましい。本肉盛５の材料は、母材１と同程度の高温強度を有することが好ましい。本肉盛溶接後、適宜余盛を削除すると良い。

なお、上記中間層形成及び本肉盛溶接を行う前に、被除去部周辺を板厚方向の上下からタブ板７で挟みこんでおくと良い。これによって、溶接始終端が非定常な状態となることを予防できる。タブ板７の材質としては、特に限定されないが、Ｎｉ基合金やステンレス鋼などを用いることができる。このタブ板７は、本肉盛溶接後に、余盛とともに削除する。

本実施形態では、本肉盛溶接前に、予め中間層４を形成させている。そのため、肉盛溶接時には、中間層４が加熱され、母材１への熱影響を極力小さくすることができる。そうすることによって、母材１の高温割れを低減する、または、高温割れの最大割れ長さを小さくすることができるようになる。

（参考例）
母材１、中間層４、本肉盛５の材料は、それぞれ材料Ａ、材料Ｂ、材料Ｂを用いた。母材１の損傷部分２を除去した後、レーザ粉体肉盛によって中間層４を形成した。その後、同じくレーザ粉体肉盛によって、本肉盛溶接を行った。

（比較例）
母材１、本肉盛５の材料は、それぞれ材料Ａ、材料Ｂを用いた。母材１の損傷部分２を除去した後、低電流ＴＩＧ溶接肉盛によって、本肉盛溶接を行った。

参考例及び比較例について、本肉盛溶接後の肉盛溶接補修部６の断面を光学顕微鏡で観察した。参考例及び比較例で観察された高温割れの最大割れ長さは、それぞれ０．４ｍｍ、３ｍｍであった。上記結果より、肉盛溶接方法を低入熱な方法とすることで、高温割れの割れ長さを短くできることが確認された。中間層４を本肉盛溶接よりも低入熱な方法で形成した場合、上記結果と同等以上の効果が得られるものと考えられる。

〔第２実施形態〕
本実施形態に係るガスタービン部材の補修方法は、中間層４を形成させる工程が異なる以外は、第１実施形態と同様とする。

本実施形態において、中間層４は、本肉盛溶接と同様の方法によって形成させる。中間層形成及び本肉盛溶接に用いる方法は、より低入熱な方法で実施することによって、熱影響領域を小さくする効果が得られる。それによって、高温割れの割れ長さを小さくすることができる。

中間層材料は、母材よりも高温強度が低い材料を用いる。高温強度が低い材料は、高温強度が高い材料よりも高い延性を有する。そのような材料からなる中間層４を設けることで、本肉盛溶接中に発生する割れに対して、割れ止め（クラック アレスター）として作用する。
例えば、中間層／本肉盛に用いる材料の組合せとして、ＩＮ６２５／材料Ｂ、材料Ｃ／材料Ａなどが考えられる。

中間層４の膜厚は２００μｍ〜２ｍｍとし、熱影響部の厚さ以下とすることが好ましい。また、補修部分の品質の安定性向上のため、中間層４の厚さはできるだけ均等とすることが望ましい。

（実施例）
母材１、中間層４、本肉盛５の材料は、それぞれ材料Ａ、ＩＮ６２５、材料Ｂを用いた。母材１の損傷部分２を除去した後、被除去部３にレーザ粉体肉盛によって中間層４を形成した。その後、同じくレーザ粉体肉盛によって、本肉盛溶接を行った。

実施例について、本肉盛溶接後の肉盛溶接補修部６の断面を光学顕微鏡で観察した。実施例で観察された高温割れの最大割れ長さは、０．８ｍｍであった。上記結果から、中間層４を母材１よりも高温強度の低い層としたことにより、高温割れの割れ長さを短くできることが確認された。

なお、第１実施形態及び第２実施形態は、組み合わせて実施されても良い。すなわち、中間層の形成方法を本肉盛溶接よりも低入熱な方法とし、且つ、中間層を母材よりも高温強度の低い材料を用いて形成させることもできる。

本発明に係るガスタービン部材の補修方法は、１段動翼または２段動翼などの高温環境下で使用される部材の補修にも適用可能である。

１ 母材
２ 損傷部分
３ 被除去部
４ 中間層
５ 本肉盛
６ 肉盛溶接補修部
７ タブ板
８ プラットフォーム
９ 高温割れ

Claims (5)

1. 母材の損傷部分を除去し、前記損傷部分が除去された被除去部に中間層を形成した後、本肉盛溶接するガスタービン部材の補修方法。
2. 前記本肉盛溶接よりも低入熱となる方法によって、前記中間層を形成する請求項１に記載のガスタービン部材の補修方法。
3. 前記母材より高温強度が低い前記中間層を形成する請求項１または請求項２に記載のガスタービン部材の補修方法。
4. 母材の損傷部分が除去された被除去部と、前記被除去部に肉盛溶接された肉盛溶接層とを備え、
   前記被除去部と肉盛溶接層との間に、中間層が設けられるガスタービン部材。
5. 前記中間層の高温強度が、前記母材の高温強度と同等あるいはそれより低い請求項４に記載のガスタービン部材。

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